Vidicon

Een vidicon is een elektronenbuis die lange tijd is gebruikt om televisiebeelden op te nemen. Ze zijn klein en redelijk stevig met een hoge gevoeligheid. Voor televisie werden ze gebruikt om 25 beelden per seconde te maken (of nog preciezer: 50 halve beelden per seconde, om flikkeringen in het beeld te voorkomen). 
In de ruimtevaart werden ze lange tijd (van 1960 tot eind jaren '80 van de twintigste eeuw) gebruikt om foto's te maken. De vidicon is een klein buisje, met doorgaans een diameter van 16 mm. Meestal werden daar foto's op gemaakt van 800 lijnen maal 800 beeldpuntjes, pixels. In deze tijd van digitale camera's met 10 of nog meer Megapixels steekt de vidicon maar bescheiden af: 640.000 pixels, of 0,64 Megapixel... Dat is niet veel, maar daar heeft men wel een oplossing voor gevonden, zoals we later zullen zien. De vidicon kan ook alleen maar in zwart-wit opnemen, dus registreerde alleen licht en donker. Voor kleurenopnamen heeft men een oplossing bedacht. 

Pixel komt van het Engelse woord Picture Element. De vidicon buis scant het beeld in lijnen. Dat is dus een deel van de pixel. Op een elektronische manier wordt elke lijn opgedeeld ik vakjes. En dan is de pixel compleet.
Het aantal pixels of megapixels noemen heeft te maken met de resolutie, of oplossend vermogen. Dit voorbeeld laat zien wat resolutie is:

Het gevoelige scherm van de vidicon camera is verdeeld in 800 lijnen van 800 beeldpuntjes. Je kunt ook zeggen: 800 bij 800 sensoren die elk donker, licht en alle grijstinten er tussenin kunnen waarnemen. 

Als we een heel eenvoudige camera nemen, van 5 lijnen met elk 5 beeldpuntjes, dan "ziet" elke sensor een gemiddelde tint. Op het middelste afbeelding vult de zon  bijna het hele veld van een sensor, dus de waarde wordt wit. De zeehond vult bijna het hele veld van een andere sensor, dus dat vakje wordt zwart. De zeehond is gereduceerd tot slechts één pixel.
Het resultaat is te zien in de middelste afbeelding . Als we ervan uitgaan dat de zeehond 2 meter lang is, is de resolutie dus ongeveer 1 meter. Je kunt ook zeggen dat het kleinste voorwerp dat je op deze opname kunt zien, 1 meter is. (Het schip ligt verder weg, dus daar is de resolutie weer anders...)

De rechter afbeelding laat zien hoe de opname wordt als er 20 rijen van elk 20 sensoren gebruikt worden. Je zou dit een 400 pixel camera kunnen noemen. De vorm van het schip is nu al te herkennen. Ze zon ziet er nog wat vreemd uit. Als we weer naar de zeehond kijken, is de resolutie nu ongeveer 25 cm. Dat wil nog niet zeggen dat je bij die resolutie een zeehond kunt herkennen.

Hoe werkt de vidicon?

In de vidicon wordt gebruik gemaakt van een materiaal dat in het donker een isolator is, maar  een beetje geleidend wordt als er licht op valt. Hoe sterker dat licht, hoe beter deze geleiding. Dit is de geleidende laag (G).
Die laag zit in de vidicon op een glazen drager. Meestal is die glazen drager de buitenkant van de vidicon buis zelf, om te voorkomen dat de elektronenbuis vol met lucht loopt, want een elektronenbuis is altijd vacuüm gezogen. Zonder vacuüm botsen de elektronen met luchtdeeltjes en werkt het niet.

Laag F is de fotogeleidende laag. Laag G is op een positieve spanning (de "plus" ) aangesloten. Hierdoor wil dit laagje de negatief geladen elektronen die in de laag F aanwezig zijn naar zich toe trekken. Dit lukt alleen daar waar de laag geleidend is, dus daar waar er licht op valt. G en F vormen samen de signaalplaat.

Het beeld dat door de lens op de signaalplaat wordt geprojecteerd bestaat uit verschillende lichtsterkten. De laag F is verdeeld in heel kleine stukjes (niet de 800 x 800 pixels, maar nog kleiner). Het zijn als het ware allemaal heel kleine 'eilandjes'. Die zijn neutraal, dus niet negatief en niet positief geladen. Waar het beeld zwart is behouden de eilandjes hun elektronen. Waar licht aanwezig is, raken de eilandjes heel snel hun elektronen kwijt aan laag G.
Zo ontstaat er in laag F een elektrische afbeelding van het optische beeld. Veel elektronen waar het donker is, en weinig elektronen waar het licht is. Als je nu lang genoeg wacht zijn ook alle elektronen van de donkere gedeelten van het beeld verdwenen, maar zo ver laat men het niet komen! Het beeld moet snel 'uitgelezen' worden.

Rechts is een vidicon in de opstelling als fotocamera afgebeeld.
De lens werpt het beeld op de signaalplaat  en de sluiter zorgt er voor dat er een bepaalde hoeveelheid licht op de signaalplaat terecht komt, net als in een fotocamera. Het onderdeel elektronenkanon stuurt een ragfijne elektronenstraal naar de signaalplaat. Die plaat is rond, net als de vidicon zelf. Er wordt echter maar een klein vierkant gedeelte van die plaat gebruikt. Lijn voor lijn tast de elektronenstraal de signaalplaat af, zonder die plaat aan te raken.

Elektronenstralen laten zich door magnetisme afbuigen en daarvoor zijn de afbuigspoelen. Twee voor de horizontale afbuiging en twee voor de verticale. Snel van links naar rechts en langzaam van boven naar beneden, net zoals je een boek leest. Omdat hij niet als televisiecamera wordt gebruikt, wordt de  vidicon veel langzamer uitgelezen.

In de buis bevinden zich verder ringvormige elektroden die een elektrisch veld veroorzaken. De elektronen van de straal worden daardoor eerst versneld en vervolgens vertraagd. Vlak voor de signaalplaat komen ze tot stilstand. Ze keren terug en belanden tenslotte op de opvangelektrode, of opvangplaat. De signaalplaat wordt dus nèt niet door de elektronenstraal getroffen maar de signaalplaat kan wel elektronen uit de straal aantrekken. Sterk belichte eilandjes nemen veel elektronen op en weinig belichte eilandjes minder.

Het elektronenkanon (dat verhit wordt door een gloeidraad) stuurt een constante stroom elektronen uit. Bij een volkomen zwart beeld zou de elektronen stroom op de opvangplaat dan ook constant zijn. Maar de signaalplaat bevat vele verschillende ladinkjes. Als het omkeerpunt van de elektronenstraal bij een "eilandje' komt met een elektronentekort, dus met een positieve lading, zal deze uit de straal elektronen aantrekken en opnemen. Immers, positieve ladingen trekken negatieve ladingen aan. Er worden zoveel elektronen opgenomen dat de aantrekkingskracht verdwijnt, dus tot de lading van het eilandje weer neutraal is. De normale toestand is dan weer hersteld.

De opvangplaat  zal hierdoor minder elektronen ontvangen dan bij het 'vertrek' van de elektronenstraal. Aangezien er op de signaalplaat allerlei 'eilandjes' zijn met meer of minder lading, zal die terugkerende elektronenstraal ook variëren. Die variaties zorgen voor een variërende stroom elektronen op de opvangplaat en dus op de stroom elektronen uit die plaat. Uit die variërende stroom op de opvangplaat kan men de tekorten op de signaalplaat uitlezen. Die stroom wordt in de apparatuur versterkt en omgezet in wisselende spanningen, waar later een beeld van gemaakt kan worden op een scherm of in speciale fotoapparatuur.

 En het is natuurlijk onnodig om te zeggen dat als de eilandjes op de signaalplaat zijn uitgelezen, het beeld vernietigd is.

Links staat een NASA tekening van een vidicon. De sluiter is weggelaten.

Kleur en resolutie

De lichtgevoelige vidicon kan alleen maar opnamen maken in zwart-wit (of eigenlijk licht en donker). Om kleuren opnamen te maken gebruikt men een oude truc. Men maakt drie opnamen. Een door een rood filter, een door een groen filter en een door een blauw filter. Omdat het ruimtevaartuig natuurlijk beweegt zijn die drie opnamen niet precies hetzelfde, maar dat probleem lost men later op Aarde wel weer op. Hiernaast is te zien hoe drie aparte opnamen in rood, groen en blauw op de plaats waar ze elkaar overlappen, weer een kleurenfoto opleveren. Die technieken worden besproken bij de afzonderlijke ruimtevaartuigen.

Hieronder staat een voorbeeld van hoe zo'n opname plaats vond met materiaal dat in de jaren '70 van de vorige eeuw beschikbaar was, een "ouderwetse" fotocamera en drie kleurenfilters. Ik heb het zelf ooit eens gedaan.
De camera (met zwart-wit film) maakte drie opnamen door een rood, groen en blauw filter. Dat leverde drie zwartwit foto's op die er allemaal anders uitzagen, want de foto die gemaakt werd door het rode filter gaf de informatie over het rode gedeelte van het landschap en zo leverden het groene en het blauwe filter ook een kleuruittreksel van het origineel.

Daarna werd de camera geladen met kleurendia film.
De zwartwit foto met het rode deel van de opname werd gefotografeerd door een roodfilter en het zelfde werd gedaan met de andere twee foto's door een groen en blauw filter. Op mijn camera kon ik de sluiter spannen zonder de film te transporteren, dus zo kreeg ik drie opnamen over elkaar. Daardoor verkreeg ik een kleurenopname. Weliswaar niet zo mooi als in het voorbeeld, want de foto zag er wat flauwer uit en had een lichte bruine tint. Maar het was wel een leuk experiment. Een de eerlijkheid gebiedt mij te zeggen dat ik voor het onderstaande voorbeeld een Marsfoto heb gebruikt. In werkelijkheid was het een pot met viooltjes.

Het probleem van de resolutie lost men op door gebruik te maken van een telelens. Omdat die vaak een lange brandpuntsafstand hebben en het lichtgevoelige gedeelte van de vidicon maar heel klein is, krijgt men het effect van een telescoop, of sterrenkijker. Die ziet maar een heel klein gedeelte, maar wel duidelijk. Hoe krijg je daarmee nu een overzichtsfoto?

Wel, door de aparte foto's aan elkaar te voegen, zoals hierboven te zien is. Dit is nog een ruwe foto, met lichte kantjes, maar geeft een goed idee hoe al die foto's een mooi mozaïek opleveren met (in dit geval) een flink gedeelte van de planeet Mars.
Vroeger werd de airbrush gebruikt om de overgangen tussen de afzonderlijke foto's weg te werken. Later werd dit d.m.v. beeldbewerking opgelost.

De vidicon was een van de vele typen beeldopname buizen in die tijd, maar werd door zijn kwaliteit, gevoeligheid en bescheiden afmetingen veel gebruikt en maakte het ook mogelijk om de televisiecamera's klein te bouwen.

Hans Walrecht

(De afbeeldingen van de vidicon en resolutie zijn van Rob Walrecht, gemaakt voor het boek B08, 'Voyagers, Verkenners op een Grand Tour langs de planeten')

De complete Beelden uit de Ruimte" website is te vinden op http://www.hansonline.eu/